بخشی از مقاله
خلاصه
موتور پالس͏جت از جمله ساده ترین موتورهای جت می͏باشد. این موتورها توربین، کمپرسور و یا شفت ندارد و احتراق در آنها به صورت تناوبی صورت می پذیرد. موتورهای پالس͏جت در ابتدا جهت استفاده در مقاصد نظامی توسعه و به کار گرفته شد. اما در عصر حاضر با توجه به اینکه روش ساخت و هزینه صرف شده برای تولید آنها بسیار ساده و اندک می͏باشد از پالس͏جت͏ها به عنوان پیشرانه موشک͏های بالستیک، پهپادها و یا مقاصد آموزشی استفاده می͏شود.
در این مطالعه با شبی͏هسازی عددی احتراق پالسی در یک موتور پالس͏جت بدون دریچه، نمونه و با استفاده از نرم افزارAnsys CFX ، توزیع حرارتی و انتقال حرارت روی بدنه یک موتور پالس͏جت نمونه با سوخت پروپان شبی͏هسازی شده و همچنین در راستای توسعه عملکرد موتورهای پالس͏جت اثرات تغییر هندسه و نوع سوخت، دو نمونه پالس͏جت یکی با طول 1/2 برابر و دیگری با سوخت متان، مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. در این شبی͏هسازی از روش حل معادلات جداگانه استفاده شده و احتراق با گسسته͏سازی اویلر مرتبه دوم عقب͏رو، مدل گردیده͏اند.
معادله مومنتوم نیز از مدل آشفتگی K- استاندارد به صورت ناپایا حل شده و مدل واکنش تک مرحله͏ای وستبروک͏درایر همراه با EDM ، نیز جهت شبی͏هسازی فرآیند احتراق، در نظر͏گرفته شده است. در ورودی دامنه محاسباتی شرط مرزی دبی ورودی برای تعیین شار جرمی و از مقادیر دمای محیط و فشار یک اتمسفر برای شرایط مرزی ورودی استفاده شده است.
شبکه تولید شده از نوع سازمان یافته و استقلال حل از شبکه نیز انجام گرفته است. نتایج حاصل از مطالعات عددی نشان داد که بیشینه دمای پوسته در انتهای اگزوز به وجود آمده و توزیع حرارتی برای متان باعث انتقال منطقه اکسترمم دمایی به سمت محفظه احتراق گردیده است.
همچنین افزایش طول مجرای خروجی تغییر محسوسی را در توزیع حرارتی ایجاد شده روی پوسته موتور ایجاد نمی͏کند و تنها باعث افزایش فرکانس فرآیند احتراق پالسی در موتور می͏گردد. با توجه به دمای پوسته و شار حرارتی انتقال یافته از محفظه احتراق، برای بدنه پالس͏جت می͏توان از فولادهای ضدزنگ با گریدهای SS316، SS310، SS304 و نیز سوپر آلیاژهای کرم- نیکل وکربن استفاده نمود.
.1 مقدمه
موتور پالس جت یکی از ساده ترین انواع موتورهای هوا دم می͏باشد. که بعد از رم جت ساده͏ترین موتور جت هوا دم است. این موتور نیز مانند رم جت یک لوله ایرو- ترمودینامیکی است، با این تفاوت که در حالت ثابت نیز می تواند کار کند. پالس به معنی ضربه و تپش بوده و به همین دلیل به موتورهای پالس جت، جت تپشی و جت ضربه͏ایی هم می͏گویند. اولین موتور پالس͏جت با تنفس هوایی در سال 1906 اختراع شد و از آن زمان تاکنون شکل و اندازه پالس͏جت͏ها بارها مورد تغییر و بهبود قرارگرفته است.
امروزه پالس͏جت͏ها در زمینه͏های مختلف از جمله نمونه͏های نظامی، صنعتی و سرگرمی مورد استفاده قرار می͏گیرند. در مصارف نظامی از این موتورها بیشتر در هواپیماهای بدون سرنشین هدف استفاده می͏شود اما شرکت بوئینگ اخیرا طرحی برای استفاده از اجکتور پالس افزاینده نیروی تراست ارائه کرده که در واقع یک طراحی توسعه͏یافته از موتور پالس͏جت برای عمود پروازها است و می͏تواند هم در مصارف نظامی و یا تجاری مورد بهره͏برداری قرار گیرد. توزیع حرارتی از محفظه احتراق موتورهای احتراق داخلی، شکل پیچیده͏ای دارد و پیش͏بینی درست و دقیق میزان توزیع حرارتی در طراحی و انتخاب مواد سازنده یک موتور نقش مؤثر و تعیین کننده͏ای دارد
همچنین تلفات حرارتی یکی از عوامل اصلی در کاهش بهره͏وری موتورهای احتراق داخلی بوده و تنش͏ های مکانیکی ناشی از پدیده انتقال حرارت باعث کاهش ضرایب اطمینان پوسته موتور می͏گردد، بنابراین توانایی پیش͏بینی توزیع حرارتی در موتور͏های احتراق داخلی نقش مهمی در توسعه آنها ایفا می͏کند. امروزه به طور فزاینده͏ای از روشهای شبی͏هسازی عددی که بر پایه مفاهیم انتقال حرارت استوار است جهت پیش͏بینی پدیده انتقال حرارت در هر مرحله از توسعه موتور استفاده می͏شود.
در این مقاله سعی شده است توزیع حرارتی روی یک موتور پالس͏جت بدون دریچه به روش عددی و با تاکید بر روابط بین جریانهای سیال و انتقال حرارت بررسی و با تحلیل توزیع حرارتی موتور یک نمای کلی از رفتار سیال را فراهم نمود. بنابراین به طور خلاصه می͏توان مواردی مانند: پیش͏بینی توزیع حرارتی و دما روی پوسته موتور، مدل͏سازی احتراق و تعیین نقاط اکسترمم از دیدگاه حرارتی و انتخاب متریال و تعیین خواص و مقاومت حرارتی پوسته سازنده موتور را به عنوان ضرورت و اهمیت بحث تحلیل حرارتی موتور پالس جت برشمرد.
در این مطالعه توزیع حرارتی روی یک مدل موتور پالس͏جت بدون سوپاپ با قطر محفظه احتراق 176 میلی متر، که از گاز پروپان به عنوان سوخت جهت ایجاد نیروی جلوبرندگی بهره می͏برد و جهت استفاده در سامانه پیشرانشی یک پهپاد هدف طراحی گردیده است، به روش عددی و با تاکید بر روابط بین جریانهای سیال و انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته و با تحلیل توزیع حرارتی موتور یک نمای کلی از انتقال حرارت و تحلیل توزیع حرارتی روی بدنه موتور را فراهم آمده است. شبی͏هسازی انجام شده در این مطالعه در سه حالت مختلف زیر انجام گرفته شده است:
-1 مدل اصلی موتور پالس͏جت با مختصات هندسی مطابق شکل 1
-2 جایگزین کردن متان به عنوان سوخت جایگزین موتور پالس͏جت
-3 تغییر ابعاد موتور و افزایش طول اگزوز به مقدار 1/2 برابر اندازه اصلی
شکل:1 مشخصات ابعادی پالس جت نمونه مورد مطالعه
.2 پیشینه تحقیق
جِنگ و همکاران، در سال 2007 با استفاده از ابزارهای محاسباتی و تجربی مدرن به بررسی پدیده͏های دینامیک گاز، آکوستیک و سینتیک شیمیایی در یک جت پالس با طول 15سانتی͏متر پرداختند. در این مقاله که به عنوان مرجع صحه͏گذاری در مطالعه حاضر نیز قرار گرفته است، مقادیر فشار، دما، تراست، و فرکانس به عنوان تابعی از طول ورودی و خروجی موتور با استفاده از نرم افزار CFX محاسبه و نهایتا نتایج با داده͏های تجربی مقایسه گردید. نتایج حاصل از این مقایسه صحت مدل شبی͏هسازی عددی را تایید و همچنین نشان داد که موج انفجاری خروجی می͏تواند قبل از شروع چرخه بعدی مجددا به محفظه احتراق کشیده شده و در هر چرخه برگشت موج انفجاری باعث کاهش فشار محفظه احتراق می͏گردد
در سال 2011، تهور و حسین͏پور در مطالعه دیگری با بررسی عددی و تجربی یک موتور پالس͏جت 450 سانتی͏متری، به بررسی مقیاس͏پذیری آن پرداختند. آنها با تغییرات در نسبت مساحت مجرای ورودی به محفظه احتراق در این موتور پالس͏جت به مقایسه مقادیر فشار، دمای محصولات احتراق و میزان نیروی تراست تولید شده پرداختند. نتایج حاصل از این مطالعه نشان داد که فشار داخلی محفظه احتراق بلافاصله پس از پایان یک سیکل احتراقی به علت گسترش موج انبساطی در خروجی نازل - اگزوز - ، به سرعت تبدیل شده و باعث کاهش مجدد فشار محفظه احتراق تا فشار اتمسفر می͏گردد.
احمد افسری و همکاران نیز در سال 2012، با شبی͏هسازی عددی نیروی پیشرانشی در یک موتور پالس͏جت بدون دریچه و مقایسه آن با نتایج آزمایشات انجام شده در این خصوص دریافتند که تاثیرات افزایش قطر دهانه ورودی سوخت باعث افزایش دمای اگزوز و کاهش دمای ورودی به دلیل افزایش حجم هوای ورودی می͏گردد همچنین بیشترین فشار احتراق در حالتی که قطر دریچه ورودی 5/8 اینچ باشد، رخ می͏دهد. ولی در تحقیق آنها تأثیرات انتقال حرارت و یا افزایش دما در نقاط خاصی از پوسته موتور در نظر گرفته نشده و اثرات آن روی احتراق و نیروی پیشرانشی موتور بررسی نگردیده است.
در پروژه͏ ای دیگر و در سال 2014 رانجان و همکاران به تجزیه و تحلیل عملکرد یک موتور پالس͏جت یو شکل با طول کلی حدود 160 سانتی͏متر پرداختند. در این مطالعه با هدف درک پدیده͏های مختلف فیزیکی موثر بر عملکرد یک جت پالس با سوخت گاز مایع، اقدام به مدلسازی دینامیک گاز، آکوستیک و سینتیک شیمیایی آن گردیده است. و نهایتا با اندازه͏گیری مقادیر فشار، دما، نیروی تراست و غلظت گازهای خروجی موتور پالس͏جت به این نتیجه رسیدند که با افزایش m f میزان تراست نیز افزایش خواهد یافت. همچنین با افزایش نسبت هم ارزی سوخت و هوا، غلظت گازهای CO، NO وHC در خروجی نیز افزایش می͏یابد.
آستراند نیز در سال 2014، در مطالعه͏ای تفضیلی اقدام به بررسی و پیش͏بینی عملکرد هر دو موتورهای پالس͏جت سوپاپدار و بدون دریچه در حالت کار با سوخت جایگزین و با استفاده از روشهای عددی و برنامه نویسی با نرم͏ افزار متلب نمود. مطالعات وی نشان داد با توجه به اهمیت نسبت سوخت و هوا در عملکرد موتورهای جت پالس، در برخی موارد استفاده از سوختهای جایگزین منجر به کاهش عملکرد آنها می͏شود. همچنین افزودن اتانول به بنزین به عنوان سوخت موتورهای پالس͏جت می͏تواند بازدهی آنها را تا %10 افزایش دهد.
و در سال 2015، اوگانیا در مقاله͏ای به طراحی، تحلیل و بهبود یک موتور پالس͏جت پرداخت و سعی کرد یک موتور پالس-͏جت که قادر به تولید نیروی محوری بالا بوده طراحی نموده و مصرف سوخت ویژه آن را بهبود بخشد. در این مطالعه با انجام تجزیه و تحلی͏لهای نرم͏افزاری مشخص گردید که با اضافه کردن نگهدارنده͏های شعله در محفظه احتراق می͏توان بهره͏وری آن را بهبود و عملکرد آن را ارتقاء بخشید. وی با قرار دادن بافل در محفظه احتراق موفق به تثبیت شعله و احتراق مداوم و نهایتا افزایش کارآیی موتور گردید.
